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针对高压物质密度诊断的激光X射线照相优化设计

张天奎 韩丹 吴玉迟 闫永宏 赵宗清 谷渝秋

针对高压物质密度诊断的激光X射线照相优化设计

张天奎, 韩丹, 吴玉迟, 闫永宏, 赵宗清, 谷渝秋
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  • 激光驱动冲击波能提供高压的物质状态, 是状态方程研究的重要工具. 超短超强激光与固体靶相互作用产生的X射线源, 具有短脉冲、微焦点、高产额、能量可调的特点, 是高压物质密度测量的首选背光源. 本文基于蒙特卡罗程序Geant4建立了X射线照相模型, 客体密度分布由流体力学程序Multi-1D模拟激光冲击加载高压物质获得. 在一维长方体形密度客体情况下, 定义了均方根、峰值偏差与上升沿斜率比三种指标, 对照相图像求解的密度结果进行评价, 开展了照相结果信噪比、分辨率与对比度等参数优化. 并开展了一维圆柱形密度客体的照相模拟, 建立了基于Radon逆变换法的Abel反演算法. 反演结果与模拟设计密度分布符合良好, 要求X射线源半径在5 m以内; 反演结果与模拟设计密度分布较为一致, 要求X射线源半径在15 m以内.
      通信作者: 赵宗清, zhaozongqing99@gmail.com
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11505166, 11375161, 11405159, 11174259)和等离子体物理重点实验室基金(批准号: 9140C680301150C68297, 9140C680306120C68253, 9140C680302130C68242)资助的课题.
    [1]

    Ravasio A, Koenig M, Pape S L, Benuzzi-Mounaix A, Park H S, Cecchetti C, Patel P, Schiavi A, Ozaki N, Mackinnon A, Loupias B, Batani D, Boehly T, Borghesi M, Dezulian R, Henry E, Notley M, Bandyopadhyay S, Clarke R, Vinci T 2008 Phys. Plasmas 15 060701

    [2]

    Pape L S, Neumayer P, Fortmann C, Doppner T, Davis P, Kritcher A, Landen O, Glenzer S 2010 Phys. Plasmas 17 056309

    [3]

    Liu T H, Hao Z Q, Gao X, Liu Z H, Lin J Q 2014 Chin. Phys. B 23 085203

    [4]

    Wang J X, Gao X, Song C, Lin J Q 2015 Acta Phys. Sin. 64 045204 (in Chinese) [王绩勋, 高勋, 宋超, 林景全 2015 物理学报 64 045204]

    [5]

    Brambrink E, Wei H G, Barbrel B, Audebert P, Benuzzi-Mounaix A, Boehly T, Endo T, Gregory C D, Kimura T, Kodama R, Ozaki N, Park H S, Koenig M 2009 Phys. Rev. E 80 056407

    [6]

    Neumayer P, Fortmann C, Dppner T, Davis P, Falcone R W, Kritcher A L, Landen O L, Lee H J, Lee R W, Niemann C, Pape L S, Glenzer S H 2010 Phys. Rev. Lett. 105 075003

    [7]

    Loupias B, Perez F, Benuzzi-Mounaix A, Ozaki N, Rabec M, Gloahec L E, Pikuz T A, Faenov A Y, Aglitskiy Y, Koenig M 2009 Laser and Particle Beams 27 601

    [8]

    Brambrink E, Wei H G, Barbrel B, Audebert P, Benuzzi-Mounaix A, Boehly T, Endo T, Gregory C, Kimura T, Kodama R, Ozaki N, Park H S, Gloahec R L M, Koenig M 2009 Phys. Plasmas 16 033101

    [9]

    Fortney J J, Glenzer S H, Koenig M, Militzer B, Saumon D, Valencia D 2009 Phys. Plasmas 16 041003

    [10]

    Pape L S, Macphee A, Hey D, Patel P, Mackinnon A, Key M, Pasley J, Wei M, Chen S, Ma T, Beg F, Alexander N, Stephens R, Offerman D, Link A, Van-Woerkom L, Freeman R 2008 Rev. Sci. Instrum. 79 106104

    [11]

    Ravasio A, Romagnani L, Pape L S, Benuzzi-Mounaix A, Cecchetti C, Batani D, Boehly T, Borghesi M, Dezulian R, Gremillet L, Henry E, Hicks D, Loupias B, MacKinnon A, Ozaki N, Park H S, Patel P, Schiavi A, Vinci T, Clarke R, Notley M, Bandyopadhyay S, Koenig M 2010 Phys. Rev. E 82 016407

    [12]

    Wang R R, Chen W M, Wang W, Dong J Q, Xiao S L 2010 Chin. Phys. B 19 075202

    [13]

    Zhu W, Ye Y, Zhu P F, Liu Z Q, Xia C Q, Shen B F, Liang X Y, Leng Y X, Qian W X, Li J, Li 4 R, Li Z Y, Peng Q X 2012 High Power Laser and Particle Beams 24 2651 (in Chinese) [朱巍, 叶雁, 朱鹏飞, 刘振清, 夏长权, 沈百飞, 梁晓燕, 冷雨欣, 钱伟新, 李军, 李泽仁, 李作友, 彭其先 2012 强激光与粒子束 24 2651]

    [14]

    Xiong J, Dong J Q, Jia G, Wang R R, Wang W, Fu S Z, Zheng W D 2013 Chin. Phys. B 22 065201

    [15]

    Park H S, Chambers D M, Chung H K, Clarke R J, Eagleton R, Giraldez E, Goldsack T, Heathcote R, Izumi N, Key M H, King J A, Koch J A, Landen O L, Nikroo A, Patel P K, Price D F, Remington B A, Robey H F, Snavely R A, Steinman D A, Stephens R B, Stoeckl C, Storm M, Tabak M, Theobald W, Town R P J, Wickersham J E, Zhang B B 2006 Phys. Plasmas 13 056309

    [16]

    Park H S, Maddox B R, Giraldez E, Hatchett S P, Hudson L T, Izumi N, Key M H, Pape L S, MacKinnon A J, MacPhee A G, Patel P K, Phillips T W, Remington B A, Seely J F, Tommasini R, Town R, Workman J, Brambrink E 2008 Phys. Plasmas 15 072705

    [17]

    Tommasini R, Hatchett S P, Hey D S, Iglesias C, Izumi N, Koch J A, Landen O L, MacKinnon A J, Sorce C, Delettrez J A, Glebov V Y, Sangster T C, Stoeckl C 2011 Phys. Plasmas 18 056309

    [18]

    Vaughan K, Moore A S, Smalyuk V, Wallace K, Gate D, Glendinning S G, McAlpin S, Park H S, Sorce C, Stevenson R M 2013 High Energ. Dens. Phys. 9 635

    [19]

    Ramis R, Schmalz R, Meyer-Ter-Vehn J 1988 Comput. Phys. Commun 49 475

    [20]

    Buis E J, Vacanti G 2009 Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A 599 260

    [21]

    Shao H, Zhu D P, Wu Y X 2005 J. Shanghai JiaoTong Univ. 39 1375 (in Chinese) [邵华, 朱丹平, 吴毅雄 2005 上海交通大学学报 39 1375]

    [22]

    Wang J, Zhao Z Q, He W H, Zhu B, Dong K G, Wu Y C, Zhang T K, Niu G, Zhou K N, Xie N, Zhou W M, Gu Y Q 2015 Chin. Opt. Lett. 13 031001

  • [1]

    Ravasio A, Koenig M, Pape S L, Benuzzi-Mounaix A, Park H S, Cecchetti C, Patel P, Schiavi A, Ozaki N, Mackinnon A, Loupias B, Batani D, Boehly T, Borghesi M, Dezulian R, Henry E, Notley M, Bandyopadhyay S, Clarke R, Vinci T 2008 Phys. Plasmas 15 060701

    [2]

    Pape L S, Neumayer P, Fortmann C, Doppner T, Davis P, Kritcher A, Landen O, Glenzer S 2010 Phys. Plasmas 17 056309

    [3]

    Liu T H, Hao Z Q, Gao X, Liu Z H, Lin J Q 2014 Chin. Phys. B 23 085203

    [4]

    Wang J X, Gao X, Song C, Lin J Q 2015 Acta Phys. Sin. 64 045204 (in Chinese) [王绩勋, 高勋, 宋超, 林景全 2015 物理学报 64 045204]

    [5]

    Brambrink E, Wei H G, Barbrel B, Audebert P, Benuzzi-Mounaix A, Boehly T, Endo T, Gregory C D, Kimura T, Kodama R, Ozaki N, Park H S, Koenig M 2009 Phys. Rev. E 80 056407

    [6]

    Neumayer P, Fortmann C, Dppner T, Davis P, Falcone R W, Kritcher A L, Landen O L, Lee H J, Lee R W, Niemann C, Pape L S, Glenzer S H 2010 Phys. Rev. Lett. 105 075003

    [7]

    Loupias B, Perez F, Benuzzi-Mounaix A, Ozaki N, Rabec M, Gloahec L E, Pikuz T A, Faenov A Y, Aglitskiy Y, Koenig M 2009 Laser and Particle Beams 27 601

    [8]

    Brambrink E, Wei H G, Barbrel B, Audebert P, Benuzzi-Mounaix A, Boehly T, Endo T, Gregory C, Kimura T, Kodama R, Ozaki N, Park H S, Gloahec R L M, Koenig M 2009 Phys. Plasmas 16 033101

    [9]

    Fortney J J, Glenzer S H, Koenig M, Militzer B, Saumon D, Valencia D 2009 Phys. Plasmas 16 041003

    [10]

    Pape L S, Macphee A, Hey D, Patel P, Mackinnon A, Key M, Pasley J, Wei M, Chen S, Ma T, Beg F, Alexander N, Stephens R, Offerman D, Link A, Van-Woerkom L, Freeman R 2008 Rev. Sci. Instrum. 79 106104

    [11]

    Ravasio A, Romagnani L, Pape L S, Benuzzi-Mounaix A, Cecchetti C, Batani D, Boehly T, Borghesi M, Dezulian R, Gremillet L, Henry E, Hicks D, Loupias B, MacKinnon A, Ozaki N, Park H S, Patel P, Schiavi A, Vinci T, Clarke R, Notley M, Bandyopadhyay S, Koenig M 2010 Phys. Rev. E 82 016407

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    [13]

    Zhu W, Ye Y, Zhu P F, Liu Z Q, Xia C Q, Shen B F, Liang X Y, Leng Y X, Qian W X, Li J, Li 4 R, Li Z Y, Peng Q X 2012 High Power Laser and Particle Beams 24 2651 (in Chinese) [朱巍, 叶雁, 朱鹏飞, 刘振清, 夏长权, 沈百飞, 梁晓燕, 冷雨欣, 钱伟新, 李军, 李泽仁, 李作友, 彭其先 2012 强激光与粒子束 24 2651]

    [14]

    Xiong J, Dong J Q, Jia G, Wang R R, Wang W, Fu S Z, Zheng W D 2013 Chin. Phys. B 22 065201

    [15]

    Park H S, Chambers D M, Chung H K, Clarke R J, Eagleton R, Giraldez E, Goldsack T, Heathcote R, Izumi N, Key M H, King J A, Koch J A, Landen O L, Nikroo A, Patel P K, Price D F, Remington B A, Robey H F, Snavely R A, Steinman D A, Stephens R B, Stoeckl C, Storm M, Tabak M, Theobald W, Town R P J, Wickersham J E, Zhang B B 2006 Phys. Plasmas 13 056309

    [16]

    Park H S, Maddox B R, Giraldez E, Hatchett S P, Hudson L T, Izumi N, Key M H, Pape L S, MacKinnon A J, MacPhee A G, Patel P K, Phillips T W, Remington B A, Seely J F, Tommasini R, Town R, Workman J, Brambrink E 2008 Phys. Plasmas 15 072705

    [17]

    Tommasini R, Hatchett S P, Hey D S, Iglesias C, Izumi N, Koch J A, Landen O L, MacKinnon A J, Sorce C, Delettrez J A, Glebov V Y, Sangster T C, Stoeckl C 2011 Phys. Plasmas 18 056309

    [18]

    Vaughan K, Moore A S, Smalyuk V, Wallace K, Gate D, Glendinning S G, McAlpin S, Park H S, Sorce C, Stevenson R M 2013 High Energ. Dens. Phys. 9 635

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    Shao H, Zhu D P, Wu Y X 2005 J. Shanghai JiaoTong Univ. 39 1375 (in Chinese) [邵华, 朱丹平, 吴毅雄 2005 上海交通大学学报 39 1375]

    [22]

    Wang J, Zhao Z Q, He W H, Zhu B, Dong K G, Wu Y C, Zhang T K, Niu G, Zhou K N, Xie N, Zhou W M, Gu Y Q 2015 Chin. Opt. Lett. 13 031001

  • [1] 张国平, 郑无敌, 王 琛, 孙今人, 方智恒, 顾 援, 傅思祖. 用X射线激光M-Z干涉仪诊断点聚焦CH等离子体电子密度. 物理学报, 2007, 56(7): 3984-3989. doi: 10.7498/aps.56.3984
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    [4] 张秋菊, 盛政明, 苍 宇, 张 杰. 激光脉冲诱导的等离子体密度调制及其产生的相位反射. 物理学报, 2005, 54(9): 4217-4222. doi: 10.7498/aps.54.4217
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    [15] 徐 慧, 盛政明, 张 杰. 相对论效应对激光在等离子体中的共振吸收的影响. 物理学报, 2006, 55(10): 5354-5361. doi: 10.7498/aps.55.5354
    [16] 李百慧, 高勋, 宋超, 林景全. 磁空混合约束激光诱导Cu等离子体光谱特性. 物理学报, 2016, 65(23): 235201. doi: 10.7498/aps.65.235201
    [17] 张树东, 张为俊. 激光烧蚀Al靶产生的等离子体中辐射粒子的速度及激波. 物理学报, 2001, 50(8): 1512-1516. doi: 10.7498/aps.50.1512
    [18] 李晓璐, 白亚, 刘鹏. 激光等离子体光丝中太赫兹频谱的调控. 物理学报, 2020, 69(2): 024205. doi: 10.7498/aps.69.20191200
    [19] 张秋菊, 王兴海, 满宝元, 盛政明, 苍 宇, 张 杰. 相位反射产生的激光场空洞现象及其与激光等离子体参数相关性研究. 物理学报, 2006, 55(5): 2347-2351. doi: 10.7498/aps.55.2347
    [20] 郑志远, 鲁 欣, 张 杰, 郝作强, 王兆华, 远晓辉. 激光等离子体动量转换效率的实验研究. 物理学报, 2005, 54(1): 192-196. doi: 10.7498/aps.54.192
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-07-17
  • 修回日期:  2015-10-31
  • 刊出日期:  2016-02-05

针对高压物质密度诊断的激光X射线照相优化设计

  • 1. 中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 等离子体物理重点实验室, 绵阳 621900;
  • 2. 上海交通大学, IFSA协同创新中心, 上海 200240
  • 通信作者: 赵宗清, zhaozongqing99@gmail.com
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号: 11505166, 11375161, 11405159, 11174259)和等离子体物理重点实验室基金(批准号: 9140C680301150C68297, 9140C680306120C68253, 9140C680302130C68242)资助的课题.

摘要: 激光驱动冲击波能提供高压的物质状态, 是状态方程研究的重要工具. 超短超强激光与固体靶相互作用产生的X射线源, 具有短脉冲、微焦点、高产额、能量可调的特点, 是高压物质密度测量的首选背光源. 本文基于蒙特卡罗程序Geant4建立了X射线照相模型, 客体密度分布由流体力学程序Multi-1D模拟激光冲击加载高压物质获得. 在一维长方体形密度客体情况下, 定义了均方根、峰值偏差与上升沿斜率比三种指标, 对照相图像求解的密度结果进行评价, 开展了照相结果信噪比、分辨率与对比度等参数优化. 并开展了一维圆柱形密度客体的照相模拟, 建立了基于Radon逆变换法的Abel反演算法. 反演结果与模拟设计密度分布符合良好, 要求X射线源半径在5 m以内; 反演结果与模拟设计密度分布较为一致, 要求X射线源半径在15 m以内.

English Abstract

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